グラフェンを使用して、電子波形整形を使用して強力で集束した X 線を生成する

2024 年 1 月 26 日

(Nanowerkニュース) シンガポールの南洋理工大学 (NTU シンガポール) が率いる科学者たちは、従来の方法よりも最大 1,000 倍強い、高度に集束され、細かく制御された X 線を生成する、エネルギー効率の高い新しい方法を開発し、シミュレーションしました (光：科学と応用, 「X線放射を強化するための自由電子結晶」）。これにより、強力なX線を利用して半導体チップの欠陥を正確に検出する超高画質X線撮影への道が開かれます。この新しい方法により、より少ないエネルギーで、健康診断のためにより焦点を絞った X 線撮影が可能になる可能性もあります。通常の電子または波形電子のX線像通常の電子または波形電子のX線画像。 (画像: TranSpread) この新しい方法は、次のような高度に秩序化された構造を持つ極薄材料に電子を発射するコンピュータシミュレーションに基づいています。グラフェン. 基本的なメカニズムは、従来の X 線管を使用して X 線を生成する方法と似ています。しかし、一工夫あります。シミュレーションでは、電子の移動経路を示す波状パターンが非常に特殊な方法で「成形」され、粒子の移動経路が材料の原子の高度に構造化された位置と一致し、重なるようになります。これにより、理論的には、通常よりもはるかに高い強度で X 線が放出され、多くの異なる方向または単一の一般的な方向に X 線が生成されるように細かく制御できます。通常、発射された電子が材料の原子に衝突すると、電子は偏向されて X 線を放出します。これは制動放射または「制動放射線」と呼ばれます。 X 線管を使用して放射線を発生させる従来の方法では、制動放射が放出される X 線のほとんどに寄与します。しかし、問題の 1 つは、X 線がさまざまな方向に放出されるため、焦点が合わないことです。現在の方法では、X 線をフィルタリングして、目的の方向に放出されたものだけが使用されるようにすることで、この問題に対処しようとしています。ただし、これらのフィルターをかけた X 線でも、依然としてかなり拡散しています。 NTU電気電子工学部の南洋助教授Wong Liang Jie率いる国際科学者チームは、発射された電子の移動方法を変えることで、コンピューターシミュレーションにおけるこれらの課題を克服する方法を開発した。他の研究者は、シンガポール工科デザイン大学、スタンフォード大学、テクニオン・イスラエル工科大学、テルアビブ大学、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の出身者です。科学者らはコンピュータを使用して、電圧を生成するために電流が流れる特別に作られたプレートを通過する電子をモデル化した。科学者たちは、このような「位相板」を通過した後に電子の移動方法が変化すること、つまり電子波形整形と呼ばれる効果をシミュレーションで示すことができました。量子物理学によれば、電子粒子は光波のような波のパターンで移動できるため、これが起こります。その結果、初期の研究では、位相板を通過した後にそれらが互いに干渉する可能性があることが示されています。プレートの電圧も電子の波状運動のパターンに変化を引き起こし、電圧を調整すると電子の波形パターンも微調整できます。次に、成形された電子が、髪の毛よりも約 1,000 倍薄いグラフェンで作られた極薄材料に衝突するようにシミュレートされました。これらの電子の形状により、電子の移動経路はグラフェン内の原子の六角形の位置と一致する傾向が非常に高かった。これにより、電子が原子と衝突する確率が増加し、その結果、より多くの X 線が放出され、それによって生成される放射線の強度が増加することがシミュレーションで示されました。シミュレーションでは、新しい方法の方がエネルギー効率も高いことがわかりました。同じ量の電流を使って電子を発射したところ、研究者の方法で生成されたX線は、X線管を使用した従来の方法で生成されたX線よりも最大1000倍強力でした。放射線の強度は、位相板を変更することによっても調整できます。新しい方法では、X 線の用途に応じて、さまざまな方向に X 線を放射したり、一般的な 1 つの方向に集中したりすることができるため、将来の X 線発生装置は以前よりも調整可能になります。この微細な制御は、プレートの電圧を調整して電子の移動パターンと経路を変更することにより、シミュレーションで実現されました。電子の波形が原子全体の表面と重なる傾向がある場合、生成される X 線はより拡散します。プレートの電圧を微調整して、電子の波形パターンを原子の周囲のリング状の層と一致させると、一般的な 1 つの方向に X 線が発生します。電子が原子と相互作用する方法が変化し、その結果、ある方向に放出されたX線が破壊され、一方向に他のX線が強化されるX線による干渉が生じたために、集束したX線が生成されたと考えられます。新しい方法は強力な X 線を生成するために必要なエネルギーが少ないため、より強力なエネルギー源が必要とされないため、より小型の X 線生成装置を製造する道が開かれる可能性があります。おそらく、家よりも大きい標準的な機械を小型化できる可能性があります。テーブルに収まるサイズのもの。電子波形整形を行うことができる市販の機器は既存にありますが、研究者は過去に電子波形整形を使用して他の種類の放射線を変更しようとしたため、それらを使用して高強度で調整可能な X 線を生成することは目新しいものです。これらの以前の試みに触発されて、ウォン助教授率いる科学者たちは、コンピューターモデルで X 線の波形整形を試み、さまざまなパラメーターを調整したときに結果がどのように変化するかを調べました。これらの模擬実験の 1 つにより、電子の移動パターンを変更すると、生成される X 線の輝度が増加する可能性があることがわかり、これが最新の研究の基礎となりました。科学者の方法によって生成された強力な X 線の潜在的な用途としては、製造されたチップの見えにくい欠陥をより正確に検出するために、半導体チップの非常に高解像度の X 線画像を生成するために使用することが含まれます。生成される X 線は拡散または集束するように制御できるため、この新しい方法は、より少ないエネルギーで、手全体または指の関節のみを撮影するなど、健康診断用の X 線撮影をより柔軟に実行できる可能性があります。放射線を発生させます。集中した強力な X 線は、がんを治療するためのより標的を絞った放射線療法にも使用できる可能性があります。科学者らは現在、シミュレーションの結果を確認するための実験を計画している。ウォン助教授は次のように述べています。「電子の波形整形の精度は、生成される X 線にとって非常に重要です。